功率放大器的製作方法

2023-05-21 18:02:21

專利名稱：功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種功率放大器，且特別涉及一種增加線性度的功率放大器。
背景技術：
在通信系統中，由於調變信號的方式不同，因此所需要的功率發射器的規格亦不相同。近年來，無線通信網路，例如符合IEEE802. lla/b/g規格的通信網路，其所使用的正交頻分復用(Orthogonalfrequency-division multiplexing, OFDM)調變信號類似於調幅 (Amplitude Modulation, AM)的調變方式，故其需要高線性度的功率放大器。一般而言，高線性度的功率放大器均是以A類(ClassA)或AB類(Class AB)偏壓方式來提高線性度的， 但其功率效益(efficiency)卻會較差。然而，為了提高通信質量，進一步地提高功率放大器的線性度是有必要的。

發明內容
本發明的目的之一在於提供一種具有高線性度的功率放大器。本發明的目的之一另在於提供一種具有大頻寬動態偏壓網絡的功率放大器。本發明提供一種功率放大器，包括一負載電路、一第一級放大電路、一模擬前置失真器、一負載電路、及一第二級放大電路。第一級放大電路耦接負載電路以接收一第一信號，並據以輸出一第二信號。模擬前置失真器耦接第一級放大電路，偵測第二信號的波包， 並根據該波包產生一第三信號。第二級放大電路耦接第一級放大電路，用以接收第二信號。 負載電路偏壓於第三信號，且第一級放大電路的增益與第三信號相關。本發明提供另一種功率放大器，包括一第一級放大電路、一波包偵測器、一第二級放大電路、及一轉換器。第一級放大電路接收一第一信號並據以輸出一第二信號。波包偵測器用以偵測第二信號的波包，並將第二信號的波包作為一第三信號輸出。轉換器的一次側耦接第一級放大電路，其二次側耦接第二級放大電路，且轉換器的二次側偏壓於第三信號。 其中，第二級放大電路的增益與第三信號相關。為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下


圖1示出根據本發明一第一實施例的功率放大器的電路圖；圖2示出圖1的第一級放大電路、第二級放大電路、與功率放大器在不同輸入功率 Pin下的增益G曲線圖；圖3示出模擬前置失真器的一實例的示意圖；圖4示出第二信號S2、波包偵測器的輸出信號S2』、和第三信號S3的一實例的波形圖；圖5示出根據本發明一第二實施例的功率放大器的電路圖；以及
圖6是示出本發明一第=三實施例的功率放大器的電路圖。
主要元件符號說明
100功率放大器102第一級放大電路
104模擬前置失真器106負載電路
108第二級放大電路110匹配電路
202曲線204曲線
206曲線302波包偵測器
304波形整型電路500功率放大器
502第一級放大電路504波包偵測器
508第二級放大電路510轉換器
600功率放大器602第一級放大電路
608第二級放大電路610轉換器
具體實施例方式第一實施例請參照圖1，其示出根據本發明一第一實施例的功率放大器的電路圖。功率放大器100包括一第一級放大電路102、一模擬前置失真器(Analog I^re-distorter) 104、一負載電路106、及一第二級放大電路108。第一級放大電路102耦接負載電路106的兩端，接
收一第一信號Si，並據以輸出一第二信號S2。模擬前置失真器104耦接第一級放大電路102，偵測第二信號S2的波包 (envelope)，並根據第二信號S2的波包輸出一第三信號S3。負載電路106耦接第一級放大電路102，其節點m偏壓於第三信號S3，使得第一級放大電路102的增益(gain)與第三信號S3相關。而第二級放大電路108耦接第一級放大電路102，接收第二信號S2，據以產生輸出信號Output。針對圖1的功率放大器作更進一步地說明如下。請參照圖2，其示出圖1的第一級放大電路102、第二級放大電路108、以及功率放大器100在不同輸入功率Pin下的增益G 曲線圖。曲線202、204及206分別代表第二級放大電路108、第一級放大電路102、以及功率放大器100在不同輸入功率下的增益。由於第二級放大電路108通常作為最後一級的放大器，其所要提供給下級電路的功率通常是最大的，其輸出信號的擺幅(swing)通常也是最大的，故最容易有失真(Distortion)的情形產生。舉例來說，由曲線202可知，當輸入至第二級放大電路108的功率大於一特定值 Pl之後，由於輸出電壓的最大值會受到直流供應電壓的限制，使得第二級放大電路108的增益會逐漸減少。而當輸入至第二級放大電路108的功率大於一特定值P2之後，第二級放大電路108的輸出功率會達到飽和，而使得第二級放大電路108的增益更為下降。如此，如果只使用第二級放大電路108作為功率放大器的話，其線性區將僅止於特定值Pl以下的範圍。本實施例通過使用可動態調整增益的第一級放大電路102，來對第二級放大電路 108所減少的增益進行補償，以使整個功率放大器100的整體增益能維持一定，以提高功率放大器100的線性度。例如，如圖2的曲線204所示，當輸入至第一級放大電路102的功率大於特定值Pl之後，第二級放大電路108的增益會逐漸減少，但第一級放大電路102的增益卻逐漸增加。如此，功率放大器100的整體增益維持於固定值的範圍將會提高，因而提高整個功率放大器100的線性度，如圖2的曲線206所示，功率放大器100的整體增益在輸入功率大於特定值P2以前均維持於固定值，換言之，其維持穩定增益的功率範圍大於第二級放大電路108。為達上述效果，本發明提供一種改變第一級放大電路102的偏壓以調整其增益的方式來實現。在本實施例中，第一級放大電路102由多個金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET)構成，本實施例以電晶體Ql與Q2的柵極作為輸入端為例做說明。圖1中標示以 「a」的兩處是同一節點，標示以「b」的兩處亦是同一節點。由於負載電路106偏壓於第三信號S3，如前所述，電晶體Ql與Q2的柵極的直流偏壓與第三信號S3相關，使得第一級放大電路102的增益與第三信號S3相關。負載電路106可包括電阻元件或電感元件，本實施例以由電阻Rl、R2及電容組成的負載電路106做說明。電阻元件Rl與R2串聯，並且分別連接於電晶體Ql及Q2的兩個柵極之間。第三信號S3輸入至電阻Rl與R2之間的節點m。當第三信號S3的電壓大小改變時，電晶體Ql與Q2的柵極的直流偏壓亦會隨之改變，以改變電晶體Ql與Q2的跨導(transconductance) gm,因此，第一級放大電路102的增益亦將隨之改變。在本實施例中，電晶體功率放大器100還包含一匹配電路110，匹配電路110同時具有低通濾波的功能，配置於第一級放大電路102與第二級放大電路108之間。匹配電路 110包含兩個由直流電壓VDD偏壓的電感、兩個由直流電壓Vb偏壓的電阻、以及分別置於一個電阻與一個電感之間的兩個電容。第二級放大電路108亦包含多個MOSFET Q5 Q8，本實施例以電晶體Q5與Q6的柵極作為接收端，以接收經由匹配電路110傳送而來的第二信號S2。請參照圖3，其是模擬前置失真器104的一實例的示意圖。模擬前置失真器104 包括一波包偵測器(Envelope Detector) 302和一波形整型電路(Waveform Shaping Circuit) 304o請同時參照圖4的信號S2、S2』與信號S3的波形圖。波包偵測器302偵測第二信號S2的波包，並根據第二信號S2的波包產生波包信號S2』。波形整型電路304接收波包信號S2』，並將大於臨界電壓Vth的第二信號S2的波包作為第三信號S3輸出，亦即是擷取波包信號S2』中大於臨界電壓Vth的部分作為第三信號S3輸出。其中，臨界電壓Vth 與圖2所示的特定值Pl相關。優選地，以特定值Pl所對應的電壓值作為臨界電壓Vth。在本實施例中，波形整型電路304是以二極體實現的。波形整型電路304所包含的二極體的導通電壓(cut-in voltage or diodeforward voltage drop)及所需的二極體個數，可依照臨界電壓Vth來決定。如此，當輸出信號S2』的電壓小於此至少一二極體的整體導通電壓時，電流不會流過此至少一二極體，以使第三信號S3維持在一固定位準。此時， 電晶體Ql與Q2的柵極的直流偏壓將維持在固定位準，使第一級放大電路102的增益維持固定。而當輸出信號S2』的電壓大於此至少一二極體的整體導通電壓時，電流會流過此至少一二極體，以使第三信號S3隨著波包信號S2』變化。此時，電晶體Ql與Q2的柵極的直流偏壓將隨著第三信號S3變化，使第一級放大電路102的增益亦隨著第三信號S3而增加， 來使功率放大器100的整體增益維持於固定值的範圍提高，以增加功率放大器100的線性度。
上述實施例僅作為一個示範例的說明，並非用以限制本發明。有些用以實現功率放大器的細節，此領域的通常知識者當可知曉，在此不再特別說明之。第一級放大電路102 及第二級放大電路108亦可由其它類型的放大電路來實現，只要通過動態調整第一級放大電路102的偏壓來動態調整其增益即可，並不限於圖1所示的。第二實施例除了第一實施例所揭露的功率放大器之外，為了使功率放大器的線性度提高，亦可通過改變第二級放大電路的增益來實現。在一種具有動態偏壓電路的功率放大器中，一波包偵測器接收第一級放大電路的輸出信號，並對應地產生輸出信號的封包信號。一匹配電路偏壓於封包信號，使得第二級放大電路的輸入端的偏壓隨著封包信號改變，以動態地調整第二級放大電路的增益。然而，由於此匹配電路具有多個電容及電阻，因而使得輸入至第二級放大電路的輸入端的信號產生延遲和衰減的現象。這樣一來，第二級放大電路的增益無法隨著封包信號快速地動態調整，而使得功率放大器的線性度受到影響。為了減少電容電阻的影響，本實施例提供以轉換器替代由多個電容及電阻組成的匹配電路的作法。請參照圖5，其示出根據本發明一第二實施例的功率放大器的電路圖。功率放大器500包括一第一級放大電路502、一波包偵測器504、一第二級放大電路508、及一轉換器 510。第一級放大電路502接收一第一信號Si」並據以輸出一第二信號S2」。波包偵測器 504用以偵測第二信號S2」的波包，並將第二信號S2」的波包作為一第三信號S3」輸出。轉換器510的一次側(primary side，初級側)耦接第一級放大電路502，轉換器510的二次側(secondary side，次級側)耦接第二級放大電路508。轉換器510的二次側偏壓於第三信號S3」。第二級放大電路508的增益與第三信號S3」相關。其中，第二級放大電路508包括多個金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。 至少一輸入端是這些電晶體中的至少一個的柵極，例如是電晶體Q9與QlO的柵極。電晶體 Q9與QlO的柵極的直流偏壓與第三信號S3」相關，使得第二級放大電路508的增益與第三信號S3」相關。由於轉換器的等效電容值與等效電阻值很小，其所對應的RC常數夠小。如此，當第三信號S3」的電壓改變時，電晶體Q9與QlO的柵極亦會快速地隨之改變，而不會有延遲及失真的情形。如此，便能達到快速地動態調整第二級放大電路508的增益的目的，而使得功率放大器500的線性度可以有效地提升，以增加通信的質量。第三實施例轉換器510亦可應用於圖1的功率放大器100中，如圖6所示，其中圖6是示出本發明一第三實施例的功率放大器600的電路圖。轉換器610的一次側耦接第一級放大電路 602，其二次側耦接第二級放大電路608。類似地，第三實施例除了具有第一實施例的優點之外，還可達到快速操作的功效。綜上所述，雖然本發明已以優選實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍應以所附的權利要求書所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種功率放大器，包括 一負載電路；一第一級放大電路，耦接所述負載電路以接收一第一信號，並據以輸出一第二信號； 一模擬前置失真器，耦接所述第一級放大電路，偵測所述第二信號的波包，並根據所述波包產生一第三信號；以及一第二級放大電路，耦接所述第一級放大電路，用以接收所述第二信號； 其中，所述負載電路偏壓於所述第三信號，且所述第一級放大電路的增益與所述第三信號相關。
2.根據權利要求1所述的功率放大器，其中，所述模擬前置失真器還包括 一波包偵測器，偵測所述第二信號的波包以產生一波包信號；以及一波形整型電路，擷取所述波包信號中大於一臨界電壓的部分作為所述第三信號輸出ο
3.根據權利要求2所述的功率放大器，其中，所述波形整型電路包括一二極體。
4.根據權利要求1所述的功率放大器，其中，所述第一級放大電路包括多個金屬氧化物半導體場效應電晶體，所述至少一輸入端是所述多個金屬氧化物半導體場效應電晶體中的至少一個的柵極，所述負載電路具有至少一電阻元件或電感元件，所述至少一輸入端的直流偏壓與所述第三信號相關，使得所述第一級放大電路的增益與所述第三信號相關。
5.根據權利要求1所述的功率放大器，其中，當輸入至所述第二級放大電路的功率大於一特定值之後，所述第二級放大電路的增益逐漸減少，而當輸入至所述第一級放大電路的功率大於所述特定值之後，所述第一級放大電路的增益逐漸增加。
6.根據權利要求5所述的功率放大器，其中，所述臨界電壓與所述特定值相關。
7.根據權利要求1所述的功率放大器，還包含一匹配電路，所述匹配電路配置於所述第一級放大電路與所述第二級放大電路之間。
8.根據權利要求1所述的功率放大器，還包含一轉換器，其一次側耦接所述第一級放大電路，其二次側耦接所述第二級放大電路。
9.一種功率放大器，包括一第一級放大電路，接收一第一信號並據以輸出一第二信號； 一波包偵測器，用以偵測所述第二信號的波包，並將所述第二信號的波包作為一第三信號輸出；一第二級放大電路；以及一轉換器，其一次側耦接所述第一級放大電路，其二次側耦接所述第二級放大電路，且所述轉換器的二次側偏壓於所述第三信號；其中，所述第二級放大電路的增益與所述第三信號相關。
10.根據權利要求9所述的功率放大器，其中，所述第二級放大電路包括多個金屬氧化物半導體場效應電晶體，所述至少一輸入端是所述多個金屬氧化物半導體場效應電晶體中的至少一個的柵極，所述至少一輸入端的直流偏壓與所述第三信號相關，使得所述第二級放大電路的增益與所述第三信號相關。
全文摘要
本發明公開了一種功率放大器，其包括一負載電路、一第一級放大電路、一模擬前置失真器、及一第二級放大電路。第一級放大電路耦接負載電路以接收一第一信號，並據以輸出一第二信號。模擬前置失真器耦接第一級放大電路，偵測第二信號的波包，並根據該波包產生一第三信號。第二級放大電路耦接第一級放大電路，用以接收第二信號。負載電路偏壓於第三信號，且第一級放大電路的增益與第三信號相關。
文檔編號H03F1/32GK102332870SQ201010229628
公開日2012年1月25日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者王柏之 申請人:瑞昱半導體股份有限公司